Катоды ионных источников. Теория термоэлектронной эмиссии в приближении свободных электронов, страница 6

7.6.  Самовосстанавливающийся катод,Холла

Катод, изобретенный Холлом [141], не нашел широкого применения в ионных источниках, несмотря на то что он полностью отвечает своему назначению. В рассматриваемом катоде внутрь цилиндрической сетки, сплетенной из тонкого молибденового провода (похожей на медную оплетку, используемую для экранировки электрических кабелей), помещаются маленькие гранулы спеченной бариево-алюминиевой эвтектики (70% Ва, 30% А1₂О₃ по весу). Эта гибкая пористая молибденовая трубка располагается внутри тепловой защиты — молибденовых «лопастей» (рис. 7.10). Сетка служит нагревателем катода и поставщиком активного материала для покрытия молибденовых «лопастей». Работая при температуре 1150—1200 °С, нагреватель с необходимой скоростью вырабатывает активный материал (оксид бария), в то же самое время поддерживая на эмитирующих поверхностях температуру порядка 800 °С, при которой может быть получена большая эмиссия. Например, катод (рис. 7.10), работая при 831 °С, обеспечивает эмиссионный ток 360 А с плотностью тока 1,8 А/см². Другой катод меньшего размера позволяет получить 64 А с плотностью тока 3,2 А/см² при 766 °С. Ни одно из этих значений не соответствует эмиссионным постоянным материала, которые Холл измерил в специально изготовленной трубке. Он получил следующие величины:

А = 0,85 А/(см²*К²)    и   ф=1,215 эВ.

Холл не сообщил о максимально достижимой плотности тока с этих катодов. Вероятно, более высокие значения рабочих температур и, следовательно, более высокую плотность тока, можно реализовать вместе с требуемым ресурсом работы, если геометрия катода будет такова, что ВаО, испаряемый с эмитирующих поверхностей, будет неоднократно отражаться между ними, а не покидать катод через эмитирующую апертуру. Длительность работы катодов Холла очень велика. Некоторые катоды работали в ртутном разряде в течение 20000 ч и даже в течение 30 000 ч без ухудшения характеристик.

Рис. 7.10. Самовосстанавливающийся катод Холла. Центральная спираль — плетеный цилиндр, содержащий эвтектику Ва—А1₂О₃. Он служит нагревателем катода и длительным поставщиком оксида бария к эмитирующим молибденовым поверхностям [141].

Лопасти покрыты тонким слоем ВаО, и, так как бариево-алюминиевая эвтектика устойчива на воздухе, катод после выключения может попадать в атмосферу, а затем снова работать. Это существенное .преимущество катода, изобретенного Холлом.

Остается непонятным, почему данный тип катодов не нашел широкого применения в плазменных устройствах, включая ионные плазменные источники. Возможно, это связано с тем, что не налажен их промышленный выпуск. Исследователю необходимо получить молибденовую оплетку и  бариево-алюминиевую эвтектику, чтобы создать подходящий катод. В отличие от рассмотренного здесь случая катоды, обсуждаемые в следующем разделе, невозможно качественно изготовить самостоятельно, зато можно приобрести образцы промышленного изготовления. Для многих исследователей часто оказывается более выгодным самим сконструировать катоды, удовлетворяющие определенным требованиям, чем приспосабливать готовые изделия.

7.8.        Самовосстанавливающиеся прессованные катоды и катоды с пропиткой

Хотя обычно не делают различия межу самовосстанавливающимся катодом Холла и собственно катодами, которые называются самовосстанавливающимися (включая катоды с пропиткой и прессованные катоды), между ними можно найти существенное различие. В катоде Холла активный материал, испаряемый нагревателем, попадает на эмитирующую поверхность, а в самовосстанавливающихся катодах — просачивается через структуру катода к эмитирующей поверхности.

Первый из самовосстанавливающихся катодов — катод с пропиткой (типа L) (рис. 7.11). В этом катоде таблетка из смеси карбонатов помещается в углубление в молибденовом цилиндре, закрытом пористой вольфрамовой таблеткой. Карбонаты при нагревании превращаются в оксиды, и катод работает